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相对于传统普通铁路,高速铁路轮轨动力相互作用对轮轨关系的变化更加敏感,轮轨磨耗导致的轮轨接触几何变化在高速行车的条件下可能会显著改变车辆-轨道耦合动力学性能,对行车安全性、稳定性和舒适性造成极大威胁。与此同时,高速行车给轮轨材料带来了更大的挑战,轮轨材料的劣化、损伤随着高速铁路运营时间的增加逐渐暴露出来。因此,有必要研究高速轮轨相互作用机制,探讨轮轨磨耗和损伤演变规律。轮轨接触理论是研究轮轨动力相互作用的基础,轮轨非Hertz接触理论可以更好的解释轮轨动态相互作用原理。鉴于此,本文考虑到现有轮轨非Hertz接触理论在动力学计算中的不足,提出了一种新的适用于轮轨动力学计算的非Hertz接触算法,基于非Hertz接触原理研究了高速轮轨动力相互作用以及轮轨材料磨耗、损伤的基本特征。首先,系统的研究了可用于轮轨动力相互作用以及轮轨磨耗计算的常用轮轨法向接触算法,包括Hertz接触理论、三种基于虚拟渗透的非Hertz接触算法（Kik-Piotrowski方法、半Hertz接触算法以及ASD方法）以及Kalker完全理论。基于Kalker完全理论和NORM算法编制了S-CONTACT软件法向接触模块,利用Hertz接触理论结果以及CONTACT软件的计算结果验证了S-CONTACT软件的正确性。将S-CONTACT软件的计算结果作为标准,探讨了现有的Hertz接触和基于虚拟渗透的非Hertz接触简化算法在动力学计算中存在的问题。基于Kik-Piotrowski方法的思想提出了一种更稳健的非Hertz接触算法（MKP方法）,通过与S-CONTACT软件和Kik-Piotrowski方法在计算典型的Hertz接触、典型的两点接触、标准轮轨踏面接触和磨耗轮轨踏面接触三种计算工况时计算结果的对比验证了MKP模型。结果表明:MKP方法在计算精度和计算稳定性方面都优于Kik-Piotrowski方法,但是计算效率略低于Kik-Piotrowski方法;相对现有的非Hertz法向接触算法,MKP方法更适合于实时的轮轨动态非Hertz接触分析。其次,介绍了常用的轮轨切向接触算法,包括Kalker线性理论、Shen–Hedrick–Elkins理论、Kalker简化理论、FaStrip算法以及Kalker完全理论。基于Kalker完全理论TANG算法和ConvexGS算法编制了S-CONTACT软件切向接触模块,并用Kalker线性理论以及CONTACT软件的计算结果验证了S-CONTACT软件切向接触求解模块的正确性。以S-CONTACT软件计算结果作为标准,分析了非Hertz接触斑的四种等效椭圆方式对非Hertz线性蠕滑系数的影响,对比了FASTSIM和FaStrip算法的选取对轮轨切向接触精度的影响。对比结果表明:使用MKP方法计算轮轨法向接触,使用Kik-Piotrowski方法中等效椭圆的方法计算系数Cij以及柔度系数Li,同时使用FaStrip计算轮轨切向接触可以得到与S-CONTACT软件相对接近的计算结果,适合于车辆-轨道耦合动力学计算。基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立考虑轮轨非Hertz接触的高速车辆-无砟轨道耦合动力学模型。提出了考虑轮对摇头影响的MKP轮轨非Hertz接触模型,以满足动力学计算对轮轨接触的要求;发展了步进式窗口算法,以满足高效、快捷的模拟车辆在无限长轨道上运动的要求。基于上述动力学模型以及轮轨非Hertz动态相互原理编写了仿真计算软件TTAP（动力学模块）;利用多体动力学软件SIMPACK和相关文献结果验证了TTAP软件计算结果的正确性和可靠性。接着,探讨了高速动车组车轮磨耗的主要形式——踏面凹形磨耗的形成原因及其与钢轨接触时的静态、动态相互作用特征。通过与无磨耗车轮的对比,分析了车轮凹形磨耗在轨道随机不平顺激扰和焊缝不平顺激扰下对轮轨垂向力和轮轨横向力的影响。此外,基于安定图和损伤函数研究了车轮凹形磨耗对车轮滚动接触疲劳的影响。结果表明:车轮凹磨会显著改变轮轨接触关系,当凹磨深度较小时会形成共形接触,凹磨深度较大时会在凹磨中心两侧形成两点接触;相对于无磨耗车轮,车轮凹磨在轨道随机不平顺激扰下对轮轨力的影响不大,但是由于车轮凹磨会形成轮轨接触刚度增大的区域,在特定情况下会对通过焊缝时的轮轨力造成较大影响;踏面凹磨会对滚动接触疲劳产生直接影响,特别是对于凹磨严重的车轮可能会在凹磨中心外侧产生疲劳斜裂纹。最后,提出了一种可计算沿钢轨纵向和横向三维分布的钢轨非均一磨耗演化预测模型。模型中利用考虑轮轨非Hertz接触的车辆-轨道耦合动力学计算轮轨动力相互作用;利用S-CONTACT进行局部的轮轨滚动接触分析,利用Sheffield大学开发的磨耗模型计算钢轨材料磨耗;根据钢轨服役特点,发展了一套采样和叠加策略以得到特定横断面的钢轨磨耗。基于该模型探讨了高速铁路钢轨非均一磨耗特征及其对车辆动力学的影响。结果表明:钢轨磨耗光带基本是平直的,随着行车数量的增多而逐渐加宽;钢轨平均磨耗面积随通过车辆数目的增多而线性增加;钢轨磨耗面积沿轨道纵向的分布与车辆通过各个位置时的磨耗数相关性很大;钢轨磨耗对轮轨接触几何产生极大影响,钢轨磨耗扩大了轮轨接触区域;在线路初始运营阶段,钢轨非均一磨耗对轮轨横向动力相互作用的影响很大,但是对轮轨垂向相互作用以及车体加速度的影响很小。